一种大功率测试台用燃料电池堆热管理方法和装置与流程

本技术涉及燃料电池测试，尤其涉及一种大功率测试台用燃料电池堆热管理方法和装置。

背景技术：

1、近年来氢燃料电池技术快速发展，氢燃料电池堆和燃料电池发动机的功率越来越大，市场上已经出现200kw以上的燃料电池堆与燃料电池发动机，同时随着燃料电池技术在车辆、船舶、航空、分布式发电等方面的应用推进，燃料电池堆与燃料电池发动机的功率还会进一步增大。

2、伴随着大功率燃料电池堆与燃料电池发动机的发展，对大功率燃料电池堆与燃料电池发动机的测试装备也提出了新的要求。目前，已有文献提及到300kw以及400kw燃料电池堆测试装置的实现方法，但对于500kw及以上的燃料电池堆与燃料电池发动机的测试装置却很难找到。由于燃料电池的工作效率在50%左右，工作时产生大量热量需要及时释放出去，带来的问题就是对于500kw以上的超大功率燃料电池堆以及燃料电池发动机的测试装置比较难以如何实现快速精准的热管理。

技术实现思路

1、本技术的主要目的在于提供种大功率测试台用燃料电池堆热管理方法和装置，适用于超大功率的燃料电池发动机以及燃料电池堆测试设备。本发明可以在满足测试台用燃料电池堆超大功率的精准温控的前提下，同时兼顾燃料电池堆低功率运行时的水热管理，保证超大功率燃料电池堆全工况测试验证时，均能达到优异的温控效果。

2、为实现上述目的，本技术提供如下技术方案：

3、根据本发明第一方面，本发明请求保护一种大功率测试台用燃料电池堆热管理装置，包括第一热管理子系统，第二热管理子系统，三通阀、补液排气系统和燃料电池堆状态监测系统；

4、所述第一热管理子系统包括第一供水支路、第一回水支路、第一板式换热器、第一温度传感器、第二温度传感器、第三温度传感器、第一气动调节阀和第一涡轮流量计；

5、所述第二热管理子系统包括第二供水支路、第二回水支路、第二板式换热器、第四温度传感器、第五温度传感器、第六温度传感器、第二气动调节阀和第二涡轮流量计；

6、所述第一热管理子系统和第二热管理子系统的输入端外接冷却水主供水管路，所述第一热管理子系统和第二热管理子系统的输出端外接冷却水回水管路；

7、三通阀的冷侧阀口连接所述第一热管理子系统和/或第二热管理子系统的输出，补水管阀口连接所述装置的供水端，热侧阀口连接所述燃料电池堆状态监测系统的回水端；

8、所述冷侧阀口连接有第七温度传感器。

9、进一步的，该装置还包括：

10、所述燃料电池堆状态监测系统的输入端包括第一电导率传感器、第八温度传感器、第一压力传感器、第三手动球阀；

11、所述燃料电池堆状态监测系统的输出端包括第四手动球阀、第二压力传感器、第九温度传感器、第三涡轮流量计；

12、所述燃料电池堆状态监测系统的输出端与第三阀口之间连接有所述补液排气系统。

13、进一步的，该装置还包括：

14、所述补液排气系统包括第五手动球阀、第二过滤器、第一电磁阀、第二电磁阀、地漏、第一排气孔、第一节流阀、透明胶管和水箱。

15、根据本发明第二方面，本发明请求保护一种大功率测试台用燃料电池堆热管理方法，应用于所述的一种大功率测试台用燃料电池堆热管理装置，包括：

16、常温怠速冷起动所述燃料电池堆或燃料电池发动机，获取所述燃料电池堆的最佳运行温度，依据第九温度传感器的温度值，所述三通阀的冷侧阀口开度全闭，热测阀口开度全开，控制所述燃料电池堆的出口温度达到最佳运行温度；

17、实时监测所述燃料电池堆的冷却液温度值、出水压力值和冷却液流量值；

18、当所述燃料电池堆的冷却液温度值超过所述燃料电池堆的最佳运行温度时，依据所述燃料电池堆的运行功率段调节所述三通阀的开度、第一气动调节阀和/或第二气动调节阀的开度，将部分或全部外部冷却水经过第一热管理子系统和/或第二热管理子系统与冷却液进行热交换。

19、进一步的，所述常温怠速冷起动所述燃料电池堆或燃料电池发动机，获取所述燃料电池堆的最佳运行温度，依据第九温度传感器的温度值，所述三通阀的冷侧阀口开度全闭，热测阀口开度全开，控制所述燃料电池堆的出口温度达到最佳运行温度时，还包括：

20、所述燃料电池堆或燃料电池发动机常温怠速冷起动时，常温环境下，冷却液温度为第九温度传感器的温度值，质子交换膜燃料电池堆最佳运行温度大于所述冷却液温度；

21、通过燃料电池堆运行过程中释放的热量将冷却液的温度从所述冷却液温度提升至设定的最佳运行温度；

22、此时所述三通阀的冷侧阀口开度全闭，热测阀口开度全开。

23、进一步的，实时监测所述燃料电池堆的冷却液温度值、出水压力值和冷却液流量值，还包括：

24、实时监测所述燃料电池堆的第八温度传感器的温度值，第一压力传感器的进水压力值，所述燃料电池堆的第九温度传感器的温度值，第二压力传感器的出水压力值，第一电导率传感器的冷却液电导率，第三涡轮流量计的冷却液流量值。

25、进一步的，当所述燃料电池堆的冷却液温度值超过所述燃料电池堆的最佳运行温度时，依据所述燃料电池堆的运行功率段调节所述三通阀的开度、第一气动调节阀和/或第二气动调节阀的开度，将部分或全部外部冷却水经过第一热管理子系统和/或第二热管理子系统与冷却液进行热交换，还包括：

26、当所述燃料电池堆的运行功率段为低功率或中功率段时，启动第一热管理子系统或第二热管理子系统中的一个并与三通阀的开度进行匹配调节；

27、通过自适应算法实时对第一气动调节阀或第二气动调节阀与三通阀的开度进行求解，使得燃料电池堆的输入温度值与所述最佳运行温度相差不超过第一阈值。

28、进一步的，该方法还包括：

29、当所述燃料电池堆的运行功率段为高功率段且第一热管理子系统或第二热管理子系统中对应的气动调节阀达到散热能力上限时，开启第一热管理子系统或第二热管理子系统中的另一个热管理子系统；

30、燃料电池堆的功率继续增大，跟随调节所述第一气动调节阀、第二气动调节阀、三通阀的协同；

31、所述第一气动调节阀和第二气动调节阀协同实现三通阀的开度状态下的冷却温度目标值。

32、进一步的，所述通过自适应算法实时对第一气动调节阀或第二气动调节阀与三通阀的开度进行求解，使得燃料电池堆的输入温度值与所述最佳运行温度相差不超过第一阈值，还包括：

33、当所述三通阀的开度保持恒定时，所述三通阀的冷侧阀口开度保持瞬态拉载前的值，通过三通阀的冷水与热水流量的相对百分比保持不变，即参与外界热交换的燃料电池堆的外部冷却水量不变；

34、降低所述三通阀冷侧阀口侧温度将多余的热量释放，通过自动适时增加第一气动调节阀的开度，实时寻求得到第一气动调节阀开度的最优解，增大冷却液与外部冷却水的换热量，降低冷却液温度，实现瞬态加载过程中的温度控制。

35、进一步地，该方法还包括：

36、当所述瞬态加载过程中的温度控制难以达到目标时，自动调节所述三通阀的冷侧阀口开度，对冷、热水流量相对百分比进行重新分配；

37、基于新的所述三通阀的冷侧阀口计算得到所述第一热管理子系统或第二热管理子系统的温度调节目标值；

38、通过调节所述第一气动调节阀或第二气动调节阀的开度实现所述三通阀的冷侧阀口的温度与所述温度调节目标值的差值不大于第二阈值。

39、本技术涉及燃料电池测试技术领域，尤其涉及一种大功率测试台用燃料电池堆热管理方法和装置，采用两个热管理子系统并联的方式，配合三通阀，根据燃料电池堆不同的工作功率，根据自适应算法自动控制调节各阀门的开度，三通阀通过开度调节以适当分配冷水与热水的流量，冷水的温度通过与外界冷却水经过板式换热器进行热交换实现，温度的精准调节通过控制气动调节阀的开度来调节外界冷却水的流量实现。本发明能够在实现燃料电池堆大功率优异的热管理的同时，同时兼顾燃料电池堆低功率运行时温控的精准与稳定性，实现宽功率范围内优异的温控效果，与串联的方式相比，两个热管理子系统并联的方式能够降低流阻，减少冷却水的流动阻力。